基于VPX的多模數據鏈終端設計

何源潔 田雨

摘要：數據鏈終端是數據鏈系統的重要組成部分。VPX總線是一種能夠適應惡劣環境的全新的總線標準。在分析了數據鏈綜合發展需求的基礎上，提出了一種基于VPX標準的多模數據鏈終端架構，并開展了總線架構、硬件架構、軟件架構、通用功能模塊架構的詳細設計和分析，為多模式數據鏈終端的集成化、通用化、模塊化、低功耗提供了一種全新的解決思路。

關鍵詞：VPX；多模數據鏈終端；星形交換

中圖分類號：TN919文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）16-56-4

0引言

數據鏈終端是數據鏈系統通信介質的物理形態[1]。由于數據鏈種類繁多、通信體制各式各樣，單一體制的數據鏈終端已經無法滿足數據鏈綜合發展的需求。本文提出了一種基于VPX架構的多模數據鏈終端，將VPX總線標準架構引入數據鏈終端設計中，實現了多種通信體制、多種通信協議，以及多個通信頻段的一體化、通用化設計。從分析VPX標準入手，提出了多模數據鏈終端的VPX總線架構，開展了硬件及軟件架構設計，并詳細設計了機箱背板和通用功能模塊。

1國內外發展現狀

由于涉及保密因素，在國內外文獻中很難查到采用VPX架構的數據鏈終端的相關報道和具體技術指標。為了解決國際貿易協會（VME）總線帶寬和功耗受限的問題，美國VITA組織在2004年對VME總線進行了修訂，并在2007年發布了全新的VPX標準。此后又在該標準化結構基礎上發布了機械加固型的VPX標準，即VITA48標準。該標準很好地解決了結構散熱問題，能夠滿足惡劣環境下超帶寬信號處理的需求，也能滿足軍工系統的嚴酷需求。目前，美軍已經在F-16戰機、預警機的雷達系統上采用了VPX標準。由此可見，VPX標準具有很強的環境適應性，對產品的通用化設計表現出了優越性。

國內基于VPX總線架構的雷達系統、控制系統等領域在近幾年有一些發展[2]，但在數據鏈領域的應用極為少見，尤其是在數據鏈終端方面才剛剛起步，且大部分還處于測試和試驗階段，還未形成成熟的產品。目前，國內很多數據鏈終端都還是基于分體式獨立功能模塊方式在發展[3]，采用標準VPX總線技術的多模數據鏈終端產品還未見有報道，嚴重制約了我國數據鏈技術的應用和發展。

2 VPX標準

VPX標準是VITA組織于2007年公開發布的新一代高速串行總線標準[4]，即ANSI/VITA46標準。2010年VITA組織發布了Open VPX標準，隨后又發布了模塊機械加固型的VPX標準，即VITA48標準。

ANSI/VITA46標準規范繼承和延續VME總線的諸多優點，對VPX總線的基本規范、總線信號、機械結構等方面做出了全面的定義。VITA46標準規定了模塊結構尺寸采用3U和6U兩種；連接器采用了Multigig RT連接器，并明確了連接器定位螺栓的位置、角度等；總線采用Serial RapidIO，PCI Express，10 Gbp/s以太網等高速串行總線，對系統的電源供電能力進行了提升，能夠提供近千瓦的供電能力；規范了空氣散熱、金屬傳導散熱和液體散熱3種散熱方式[5]。

VITA48標準是一種VPX模塊機械加固型的協議族規范[6]，對模塊的散熱和結構加固等方面進行了重新定義，以滿足航空、航天、軍事等領域惡劣嚴酷的使用環境[7]，該標準也被稱為VPX REDI規范。

VPX總線標準擁有如下突出特點：①具有超強的輸入輸出能力、強大的交換能力，同時其背板帶寬非常寬，能很好地滿足多種通信信號處理對帶寬和處理能力的需求。②VPX板卡（模塊）的尺寸以及背板的拓撲結構等均采用統一標準，利于數據鏈終端的通用化、模塊化[4]。③VPX架構的數據鏈終端采用加固結構規范，具有良好的散熱系統，同時能夠實現超大的功率設計，具有非常好的穩定性和可靠性。這些突出的優點都能滿足多模數據鏈終端的高可靠使用要求。

3多模數據鏈終端架構設計

多模數據鏈終端不但要求能進行視距通信，而且能實現組網通信，還能利用不同的中繼平臺實現多種手段的數據中繼通信。因此，要求多模數據鏈終端具有開放性、擴展性、高可靠的系統架構。下面分別描述基于VPX標準的多模數據鏈終端總線架構、硬件架構、軟件架構、背板設計、通用功能模塊設計。

3.1總線架構設計

為了滿足多模數據鏈終端多速率交換的需求，減少數據鏈終端的種類、體積、重量和功耗，提出采用一種基于OPEN VPX的多模數據鏈終端系統開放式總線架構。多模數據鏈終端總線采用星型互聯架構，分為高速數據交換網絡、中速數據控制網絡和低速健康狀態管理網絡。多模數據鏈終端與外部設備互連的總線包括：1553B總線、LVDS及以太網等總線。

采用基于中心交換的高速總線結構，總線架構如圖1所示。多模數據鏈終端機箱內部RapidIO高速總線以接口及交換模塊為中心，構成星型互聯網絡，RapidIO總線主要用于高速傳輸各種業務數據、采樣數據及軟件升級數據等，最高支持6.25 Gbps的數據交換。

控制管理總線采用CAN總線，用于傳輸機箱內部的各種參數控制和功能模塊回報信息，CAN總線采用主從模式，主控節點工作在主模式，從節點工作在從模式，主控節點采用廣播和查詢方式與從節點進行通信，控制管理總線架構如圖2所示，內部CAN總線不對外開放，保證總線的可靠性，最大通信速率為1 Mbps。

I2C總線是內部健康狀態管理總線，可對處理機內部的每個模塊進行各種工作狀態在線測試，I2C總線是獨立供電的總線，采用雙總線熱備份方式，保證狀態監控和管理的可靠性，健康狀態管理總線架構如圖3所示。I2C總線傳輸速率設計為400 kbps，用于對多模數據鏈終端內部各個模塊的工作電壓、溫度、軟件加載運行狀態及功能模塊運行狀態等全面檢測。其中接口及交換模塊作為I2C的主控設備，其他模塊作為I2C從控設備對I2C總線進行管理。

除上述主要總線外，為增強系統的可靠性和可擴展性，同時采用LVDS總線和千兆以太網作為高速交換的備份手段，用RS485作為控制和狀態管理總線的備份。

3.2硬件架構及背板設計

為了實現設備的小型化、輕量化，多模數據鏈終端的硬件架構采用VITA48.2標準，將接口、數據交換、管理功能集成在一個硬件板卡中，電源轉換為單獨板卡。多模數據鏈終端的硬件架構如圖4所示。硬件架構以接口及交換管理為數據交換中心，其他模塊單元均是通用模塊單元，通過內部總線與接口及交換管理模塊單元進行連接，硬件接口上完全兼容，單獨的電源模塊為各個模塊提供電源。

多模數據鏈終端機箱背板架構根據系統的總線架構采用高速互聯背板，以接口及交換管理模塊作為中心，各個模塊插卡位置等同，可以進行互換。機箱背板架構如圖5所示，接口及交換管理模塊位置采用標準的VPX接插件，通用模塊板卡的硬件定義完全一致，采用數?；煅b的VPX接插件。

3.3軟件架構

多模數據鏈終端軟件架構參考SCA的核心系統軟件架構對系統的軟件架構進行了設計，系統軟件架構分成硬件支撐層、操作系統層、應用層3層。將應用軟件與底層的物理硬件資源進行隔離，中間通過硬件驅動程序和應用接口管理軟件將應用軟件與硬件資源進行連接，多模數據鏈終端系統軟件架構如圖6所示。

嵌入式操作系統采用開源的Linux操作系統。在嵌入式操作系統上將底層硬件運算和接口資源（如FFT、異步串口、QSPI接口、SRIO等）封裝成應用函數，提供給上層的應用軟件進行調用。上層應用軟件通過基礎應用函數的組合實現不同模式的數據鏈通信鏈路功能。

3.4通用功能模塊架構

基于VPX的多模數據鏈終端包含數據處理模塊（DPM）、信號處理模塊（SPM）、射頻處理模塊（RFPM）3類3U尺寸的標準通用功能模塊。

DPM采用FPGA加ARM處理器的架構，內部采用PCI-E總線將各種接口和存儲器連接，DPM架構如圖7所示。DPM主要用于完成數據處理、內外部數據交換、內部各個通用模塊的數據交換、通用模塊的狀態及資源管理等。

SPM支持多種數字調制解調體制，如BPSK，QPSK，MSK，2CPFSK，OFDM等，支持多種信息傳輸速率，能夠實現同一硬件設備完成不同信號處理功能。SPM根據不同通信模式的傳輸信號特點和信號處理的要求，通過動態重載的方式使系統具備相應的通信協議和功能。SPM采用FPGA，ZYNQ（ARM），DAC，ADC組合的架構，ZYNQ處理器作為核心的處理和管理芯片，FPGA作為協處理芯片，為模塊提供強大的并行計算能力；監測ARM處理器作為模塊系統的第三方監測芯片單獨供電，對模塊其他芯片的運行狀態和整個模塊的功能狀態進行采集，SPM架構如圖8所示。

數據處理模塊均實現射頻和數字化集成，可在線配置參數的開放式接口，具有動態配置FPGA和DSP運行參數的功能。在有限的空間內，依靠目前的FPGA和高速DSP器件，采用并行處理結構，實現所需的高運算能力。

RFPM具有通用可配置接口，具備寬帶變頻功能，采用DSP作為核心處理器。RFPM具有高速SRIO接口，既可完成中頻信號的采樣輸出，又可以實現模擬中頻信號的輸出，RFPM架構如圖9所示。

4結束語

OPEN VPX標準能夠工作在惡劣的環境條件下，給種類繁多的數據處理提供各種接口，具有開放式的架構，并提供可靠的操作，非常適合多模數據鏈終端的應用場景。通過對基于VPX的多模數據鏈終端架構的設計和分析可知，采用VPX架構能實現多模通信模式數據鏈終端的硬件通用化、功能軟件化。多模數據鏈終端采用VPX標準不僅提升了系統的性能和可靠性，具有很強的時效性，而且也易于擴展升級，具備了前瞻性，為數據鏈終端的綜合化、通用化、模塊化、低功耗提供了一種新的解決思路。

參考文獻

[1] ANSI，Inc.ANSI/VITA46.0-2007，American National Standard for VPX Baseline Standard[S].Fountain Hills：VMEbus International Trade Association，2007.

[2]胡倩，陳善志，劉建妥，等.基于VPX架構的遙測采集平臺設計[J].宇航計測技術，2017，37（4）：43-48.

[3]邱里鑫，孟芳.基于VPX的自主可控交換板設計[J].計算機與網絡，2016，42（15）：60-63.

[4]吳穎奇，李衛星，張月，等.基于OpenVPX平臺的寬帶數字陣列雷達接收系統設計[J].信號處理，2015，31（11）：1484-1488.

[5]付雅芳，楊任農.現代信息化戰爭中的戰術數據鏈應用[J].科技資訊，2008（2）：243-244.

[6]焦廣倫，孫治水.一種數據鏈集成架構[J].電訊技術，2013，53（11）：1401-1405.

[7] ANSI，Inc.ANSI/VITA48.0-2010， Mechanical Specification for Microcomputers Using Ruggedized Enhanced Design Implementation （REDI）[S].Fountain Hills：VMEbus International Trade Association，2010.